JP2012115888A - スポット溶接装置における溶接条件の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接条件の設定を短時間で効果的に行うことができるスポット溶接装置における溶接条件の設定方法の提供。
【解決手段】予め実際に使用される溶接ロボット２を用いて、携帯型溶接条件設定装置１により個別の溶接打点毎に通電試験を行い、この通電時の抵抗値を計測して、携帯型溶接条件設定装置１において計測された抵抗値と溶接電流、通電時間から実際の発熱量を計算して条件を算出する。算出にあたっては、サイクルタイムと生産個数に基づいて設定される通電時間を第１優先として溶接電流値を設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、スポット溶接装置における溶接条件の設定方法に関する。

スポット溶接においては、溶接条件（溶接電流、加圧力、通電時間）が溶接品質に大きな影響を与えるので、この溶接条件の設定が重要となっている。
通常、溶接条件を設定するためには、先ず、オフライン設備でテストピースを用いた溶接試験によって溶接条件を取得する。このテスト結果により得られた溶接条件は、同材質・同板厚の板材が重ね合わされた同板組の溶接打点については共通の溶接条件として設定される。

その後、テスト結果で得られた溶接条件に基づいて、実際のワークの同板組の各溶接打点のスポット溶接を実施し、次いで、スポット溶接箇所の分解検証を行い、溶着の度合いを確認しながら溶接条件の設定を変更することを数回繰り返し、各溶接打点において最適と思われる溶接条件を設定している。
このようにテスト結果で得られた溶接条件を変更するのは、オフライン設備でテストピースを用いた試験によって得られた溶接条件は、テストピースを用いた推奨値であるため、実際に生産ラインに設置されたスポット溶接装置によりスポット溶接を行うと、同板組の形状、溶接姿勢等により同板組間に微細な隙間の変化が存在したり、溶接チップの状態により溶接不良、スパッタの発生等の不具合が発生し、適宜溶接条件を再設定し直す必要があるためである。

また、このようにして再設定された溶接条件であっても、不具合が出ない部分の溶接打点においてはそのままの溶接条件を採用するため、必ずしも全ての打点に対して良い溶接条件とはなっていない。このため各種条件の微細な変化で同板組のある打点箇所では溶接不良が発生し、ある箇所ではスパッタが発生する。
したがって、このような不具合を全て解消し、全ての打点について適正な溶着を行うための条件設定に長時間を要していた。

これに対して、特許文献１にはスポット溶接の電極間に溶接電流を通電した直後にモニタ電流を通電し、電極間の電流及び電圧を検出し、これらから電極間の抵抗値を算出し、予め実験結果により設定した基準的抵抗値と比較して、許容範囲内にあるか否かを判断し、許容範囲を上回る場合には再通電を行い、許容範囲にあるか否かを再判断し、許容範囲内にある場合には通電を終了する技術が開示されている。一方、許容範囲を下回る場合には、何らかの短絡事故が考えられる為、再通電を行うことなくその旨を表示する技術が開示されている。

また、特許文献２には被溶接材データを入力すると溶接条件が自動設定され、特許文献１に記載された技術を用いて溶接終了直後にモニタ電流を通電し、電極間の電流及び電圧を検出し、これらから電極間の抵抗を算出し、この抵抗値と予め実験結果により設定した基準抵抗値とを比較して、許容範囲内にあるか否かを判断し、許容範囲を上回る場合には再通電を行い、溶接条件を再設定してスポット溶接を自動的に行わせる技術が開示されている。この技術では溶接条件は鋼板の種類、板厚、板組についての各組み合わせについて、複数段階（１０段階）の溶接電流値及び対応する複数段階（３段階）の加圧値がテーブルとして予め格納されており、起動スイッチが操作されると前記テーブルの最下位のランクの溶接条件により溶接を行い、許容範囲にあると判断された場合には、パネル操作で溶接条件データを変更している。

更に、特許文献３には、被溶接材の材質及び板厚に対する基準溶接条件データ（溶接電流、溶接サイクル、加圧力）がテーブルに記憶されており、溶接終了直後にモニタ電流を通電し、電極間の電流及び電圧を検出し、これらから電極間の抵抗値を算出し、この抵抗値と予め実験結果により設定した基準抵抗値とを比較して、許容範囲内にあるか否かを判断し、許容範囲を上回る場合は、電流値を２％アップさせて溶接条件を修正し、再溶接を行い、抵抗値が許容範囲に収まるまで同様の操作を繰り返し、それ以降の溶接打点については修正された溶接条件により実施される技術が開示されている。

特開昭６１−０７１１８９号公報 特開平０１−２２８６７７号公報 特開平０２−１２７９８５号公報

しかしながら、何れの従来技術においてもワーク全ての溶接打点について、溶接条件を設定するためには、長時間を必要とし、また、溶接条件を設定する場合に、溶接電流を中心に変化させて設定しているため、同板組の形状、溶接姿勢等により生ずる、微細な隙間の変化が存在する場合には、許容範囲内に抵抗値を収めるために、幾度となく溶接条件を変化させる必要があり、より一層時間を必要としていた。また、溶接電流を中心とした溶接条件の設定をしているため、エネルギー効率の良い溶接条件の設定とはなっていない不具合があった。

そこで、この発明は、溶接条件の設定を短時間で効果的に行うことができるスポット溶接装置における溶接条件の設定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、電極間電圧と溶接電流を検出する検出手段（例えば、実施形態における電圧検出線４、電流検出トロコイダルコイル５）が電極（例えば、実施形態における溶接電極７，７’）に配置されたスポット溶接装置（例えば、実施形態における溶接ロボット２）における溶接条件の設定方法であって、溶接条件設定手段（例えば、実施形態における携帯型溶接条件設定装置１）に記憶されたスポット溶接装置データの中から選択された該当する工程に対応した前記スポット溶接装置の加圧装置（例えば、実施形態における加圧装置９）により、所定の押圧力で電極間にワーク（例えば、実施形態におけるワークＷ）を挟むことなく電極同士を当接させて通電を行い、オフセット抵抗値を測定し、測定結果をデータとして前記溶接条件設定手段に記憶し、同時に前記溶接条件設定手段の画面上に抵抗情報（例えば、実施形態における抵抗情報１０）として表示し、前記溶接条件設定手段の前記画面上に表示された板組情報（例えば、実施形態における板組情報１１）であって予め前記溶接条件設定手段に登録されている板組の中から選択された条件設定を行うための実ワークに、前記スポット溶接装置の加圧装置による加圧力を変化させて通電を行うことにより前記検出手段により電圧値と電流値を測定し、前記溶接条件設定手段は、前記検出手段により検出された電圧値と電流値により抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて推奨加圧力を算出し、この推奨加圧力を記憶すると共に抵抗情報として実測定値を画面上に表示し、前記推奨加圧力に基づく実測定値をもとに溶接電流、溶接時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、通電時間と溶接電流の関係を示すウエルドローブ（例えば、実施形態におけるウエルドローブ１４）を作成して画面に表示し、前記必要とするナゲット径のウエルドローブから品質的に最も安定する溶接電流値と通電時間を自動的に選定して、最も良い１サイクル溶接モード（例えば、実施形態における１サイクル溶接モード１３）の溶接電流値と通電時間を画面上に表示し、溶接タイマーに前記最も良い溶接電流と通電時間データを記憶させることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記最も安定する溶接電流値と通電時間の自動選定にあたっては、該当する工程のサイクルタイムに内に収まることが条件とされることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記溶接条件の設定にあたっては、各工程のサイクルタイムに基づく通電時間を第１優先として溶接電流値を設定し、必要とするナゲット径では各工程毎のサイクルタイム内に収まらない場合には、推奨加圧力を変化させ、その時の実測抵抗値をもとに溶接電流、通電時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、前記ウエルドローブを作成し、必要とするナゲット径のウエルドローブから品質的に最も安定する溶接電流値と通電時間を自動的に選択し、最も良い１サイクル溶接モードの溶接電流値と通電時間を画面上に表示し、溶接タイマーに前記最も良い溶接電流と通電時間データを記憶させることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、予め実際に使用されるスポット溶接装置を用いて、溶接条件設定手段により個別の溶接打点毎に通電試験を行い、この通電時の抵抗値を計測して、溶接条件設定手段において計測された抵抗値と溶接電流、通電時間から実際の発熱量を計算して条件を算出するものであるため、実際のスポット溶接装置の設置状況、ワークの姿勢、ワーク形状等に起因する板材間の隙間、スポット溶接ガンの種類、溶接チップの先端の変形度合い、更にはサイクルタイムの制約等から導き出される最も良い溶接条件を設定することが可能となり、短時間で効果的にスポット溶接装置の溶接条件設定を行うことができる。また、この溶接条件設定方法を用いて設定された溶接条件で溶接を行えば溶接不良を発生させることなく、必要以上の過剰な電流、不適切な加圧力を付加することがない高品質かつエネルギー損失の少ないスポット溶接を実現することができる。
請求項２に記載した発明によれば、サイクルタイム内に収まるという条件を満たすように溶接条件の設定がなされるため、生産計画に影響を与えることなく最適な溶接条件の設定を行うことができる。
請求項３に記載した発明によれば、サイクルタイムと生産個数に基づいて設定される通電時間を第１優先として溶接電流値を設定し、通電時間がサイクルタイムにより制限を受ける場合であっても、推奨加圧力を変化させて対応することができるため、スポット溶接品質を維持しながら生産計画に柔軟に対応できるスポット溶接条件とすることができる。

この発明の実施形態に用いられる装置の構成図である。 この発明の実施形態のフローチャート図である。 携帯型溶接条件設定装の表示画面を示す図である。

次に、この発明の実施形態の装置における溶接条件の設定方法を図面に基づいて説明する。図１は溶接条件の設定を行うための装置構成を示している。
図１に要部を示す溶接ロボット２は溶接ライン（自動車生産ラインの）の各工程に設置されている。溶接ロボット２には携帯型溶接条件設定装置１が接続されている。携帯型溶接条件設定装置１には溶接ロボット２に対応したデータが記憶されている。具体的には、このデータは工程毎に記憶された溶接ロボット２毎にメーカーが推奨する溶接条件と、その溶接ロボット２の置かれた工程で過去から現在に至るまでに蓄積された実際の溶接条件が板組と共に記憶されたものである。

溶接ロボット２はロボットアームＡの先端に溶接ガン６を備えている。溶接ガン６は加圧装置９により一方の溶接電極７を他方の溶接電極７’に押圧可能に構成されている。他方の溶接電極７’はアーム部６Ａを介して一方の溶接電極７に対向する位置に設けられ、両溶接電極７，７’により板組を挟持してスポット溶接を行う。各溶接電極７，７’の先端には溶接チップ３，３が取り付けられている。尚、溶接電極７，７’には図示しない溶接電源が接続されている。

携帯型溶接条件設定装置１から電流検出線１２が延びており、この電流検出線１２の先端に電流検出トロコイダルコイル５が配置され、この電流検出トロコイダルコイル５がアーム部６Ａの周囲を囲むようにしてセットされている。電流検出トロコイダルコイル５によってアーム部６Ａを流れる電流を検出し、携帯型溶接条件設定装置１の検出部がこれを積分することにより電流値を測定可能となっている。携帯型溶接条件設定装置１には電圧検出線４，４が接続され、この電圧検出線４，４は各溶接電極７，７’に接続可能にされ、各溶接電極７，７’間の電圧を携帯型溶接条件設定装置１の検出部によって測定可能となっている。

次に、溶接条件の設定方法を図２、図３に基づいて説明する。
図２のフローチャートに示すように、ステップＳ１において溶接ロボット２の溶接電極７，７’の溶接チップ３，３を新品のものと交換する。
次に、ステップＳ２において、携帯型溶接条件設定装置１に接続された電圧検出線４，４と電流検出トロコイダルコイル５を溶接ガン６にセットしてステップＳ３に進む。
ステップＳ３において、携帯型溶接条件設定装置１の画面（図３に示す）上に表示された携帯型溶接条件設定装置１に記憶されている溶接ロボットデータの中から設定を行う工程と溶接ロボットを選択する。

選択が終わると、図３に示すように、携帯型溶接条件設定装置１の画面上に該当する溶接ロボット２についての設備情報８として、工程名、溶接ロボット番号、溶接ガンの種類（ガンタイプ）、溶接タイマーの種類、電源周波数が表示される。

次に、ステップＳ４では、溶接電極７，７’間にワークを挟むことなく、溶接ロボット２の加圧装置９により所定の押圧力で電極７，７’を当接させて通電を行い、オフセット抵抗値を測定する。このオフセット抵抗値の測定結果はデータとして携帯型溶接条件設定装置１の記憶部に記憶されると共に携帯型溶接条件設定装置１の画面上に図３に示すように抵抗情報１０として表示される。

次の、ステップＳ５においては、図３に示す携帯型溶接条件設定装置１の画面上に表示された板組情報１１に登録されている板組の中から条件設定したい板組を選択してステップＳ６に進む。ここで、板組情報１１には各板材毎に材質、目付け量、板厚、後述する検査結果（ナゲット径、引張強度）が表示される。

ステップＳ６では実際に実ワークＷを加圧し、通電することによって電圧検出線４と電流検出トロコイダルコイル５により電圧値と電流値を測定し、これにより携帯型溶接条件設定装置１の演算部において抵抗値を算出し、算出結果を携帯型溶接条件設定装置１の記憶部に記憶する。

ここで抵抗値とは、板材Ｗ１と板材Ｗ２の固有抵抗値と板間接触抵抗値とチップ間接触抵抗値の総和である。加圧装置９の加圧力が変化することによる抵抗値の変化により、実ワークＷの板組（板材Ｗ１と板材Ｗ２）間の隙間が概ね「０」となるように推奨加圧力を携帯型溶接条件設定装置１の演算部において算出し、算出結果を記憶部に記憶する。同時に抵抗情報１０として実測抵抗値を携帯型溶接条件設定装置１の画面上の抵抗情報１０に表示する。

また、理論上の板組（板材Ｗ１と板材Ｗ２）の材質、板組厚、チップ間接触抵抗値より理論上抵抗値を携帯型溶接条件設定装置１の演算部において算出し、携帯型溶接条件設定装置１の画面上の抵抗情報１０に理論上抵抗値として表示する。そして、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、推奨加圧力で加圧した実測抵抗値をもとに溶接電流、通電時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、その時の抵抗値から推奨条件（溶接電流値、溶接時間）を算出する。

ステップＳ８において推奨条件の通電時間が第１に優先されるサイクルタイム内に収まるか否かを判定する。判定の結果、サイクルタイム内に収まらないと判定された場合には、ステップＳ９に進み、推奨加圧力の変更を行ってステップＳ７に戻る。つまり、ステップＳ８の後にステップＳ９が存在するため推奨加工圧は第１に優先されるサイクルタイムに続いて第２に優先される条件である。
ステップＳ８の判定の結果、サイクルタイム内に収まると判定された場合には、ステップＳ１０に進み、推奨条件を携帯型溶接条件設定装置１の画面に表示する。

つまり、ステップＳ７において発熱量及び生成されるナゲット径が算出されると、図３に示すような、通電時間（サイクル（ｃｙｃ））−溶接電流（ｋＡ）−ナゲット径の相関図であるウエルドローブ１４が作成されて表示される。ウエルドローブ１４において黒四角は十分なナゲットができない、白四角はチリが発生、白丸はチリ発生手前の５％の電流値、黒丸は十分なナゲットができているケースを示す。よって、ナゲット径３．６ｍｍラインと、ナゲット径４．３ｍｍラインと、チリ限界ラインが設定される。

ここで、ウエルドローブ１４は、所定の大きさのナゲット径（溶接部）を得られる状態からスパッタが発生するまでの範囲を示す図表であり、公知のソフトウエアにより作図可能である。通常はウエルドローブ１４内に収まる場合には、適切な溶接が行われると判断されるが、この実施形態ではチリ発生直前の５％の電流値の幅の範囲（図３の右側のハッチング部分）を、適切とされている範囲（図３の電流検出線の二つのハッチング部分）から除外している。

携帯型溶接条件設定装置１の判定部がウエルドローブ１４から必要とするナゲット径の品質的に最も安定する溶接電流値と通電時間を自動的に選定し、ステップＳ１０で説明したように最も良い１サイクル溶接モード１３の推奨条件（溶接電流値と通電時間）を画面上に表示する。

この１サイクル溶接モード１３の表示項目は、加圧力（ｋＮ）、時間（ｃｙｃ）、電流値（Ａ）のそれぞれについて、加圧、スキーズ、ヒート１、クール１、ヒート２、クール２、ヒート３、クール３、ホールド、オフの各工程毎の値である。

ここで、自動選定にあたっては、ステップＳ８で説明したように、当該工程における全溶接打点の合計通電時間が当該工程のサイクルタイム内に収まるという条件が更に付加される。つまり、各工程毎のサイクルタイムに基づく通電時間を第１優先とし、溶接電流値を設定し、必要とするナゲット径が各工程のサイクルタイム内に収まらない場合には、推奨加圧力を変化させて（ステップＳ９）、その時の実測抵抗値をもとに溶接電流値、通電時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、前述したと同様にして最も良い溶接電流値と通電時間を選定して表示する（ステップＳ１０）。以上の操作を各溶接打点毎に実施する。尚、上記選定は手動で行うことも可能である。

次に、ステップＳ１１において、溶接タイマーに前述した最適な溶接電流値と通電時間を入力し、実際にワークＷを溶接して、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では溶接したワークＷをドライバーチェックまたは非破壊検査により、ナゲット径と引張強度を確認し、図３に示す携帯型溶接条件設定装置１の画面上の板組情報１１の検査結果に登録する。
上述したステップＳ１〜ステップＳ１２までの処理が各溶接打点毎に行われ、携帯型溶接条件設定装置１の記憶部に記憶され蓄積される。

上記実施形態によれば、予め実際に使用される溶接ロボット２を用いて、携帯型溶接条件設定装置１により個別の溶接打点毎に通電試験を行い、この通電時の抵抗値を計測して、携帯型溶接条件設定装置１において計測された抵抗値と溶接電流、通電時間から実際の発熱量を計算して条件を算出するものであるため、実際の溶接ロボット２の設置状況、ワークＷの姿勢、ワークＷの形状等に起因する板材間の隙間、溶接ガン６の種類、溶接チップ３，３の先端の変形度合い、更にはサイクルタイムの制約等から導き出される最も良い溶接条件を設定することが可能となり、短時間で効果的に溶接ロボット２の溶接条件設定を行うことができる。

また、この溶接条件設定方法を用いて設定された溶接条件で溶接を行えば溶接不良を発生させることなく、必要以上の過剰な電流、不適切な加圧力を付加することがない高品質かるエネルギー損失の少ないスポット溶接を実現することができる。
そして、サイクルタイム内に収まるという条件を満たすように溶接条件の設定がなされるため、生産計画に影響を与えることなく最適な溶接条件の設定を行うことができる。

そして、サイクルタイムと生産個数に基づいて設定される通電時間を第１優先として溶接電流値を設定し、通電時間がサイクルタイムにより制限を受ける場合であっても、推奨加圧力を変化させて対応することができるため、スポット溶接品質を維持しながら生産計画に柔軟に対応できるスポット溶接条件とすることができる。
したがって、自動車の生産ライン、自動車部品の生産ラインのように、複数種類の製品を同時にライン上で組み立てるような生産ラインのように、生産計画が厳しく管理されているような生産ラインに用いられる溶接ロボット２の溶接条件設定に好適である。

４ 電圧検出線（検出装置）
５ 電流検出トロコイダルコイル（検出装置）
７，７’ 溶接電極
２ 溶接ロボット（スポット溶接装置）
１ 携帯型溶接条件設定装置（溶接条件設定手段）
９ 加圧装置
Ｗ ワーク
１０ 抵抗情報
１１ 板組情報
１４ ウエルドローブ
１３ １サイクル溶接モード

Claims (3)

1. 電極間電圧と溶接電流を検出する検出手段が電極に配置されたスポット溶接装置における溶接条件の設定方法であって、
   溶接条件設定手段に記憶されたスポット溶接装置データの中から選択された該当する工程に対応した前記スポット溶接装置の加圧装置により、所定の押圧力で電極間にワークを挟むことなく電極同士を当接させて通電を行い、オフセット抵抗値を測定し、測定結果をデータとして前記溶接条件設定手段に記憶し、同時に前記溶接条件設定手段の画面上に抵抗情報として表示し、
   前記溶接条件設定手段の前記画面上に表示された板組情報であって予め前記溶接条件設定手段に登録されている板組の中から選択された条件設定を行うための実ワークに、前記スポット溶接装置の加圧装置による加圧力を変化させて通電を行うことにより前記検出手段により電圧値と電流値を測定し、
   前記溶接条件設定手段は、前記検出手段により検出された電圧値と電流値により抵抗値を算出し、前記抵抗値に基づいて推奨加圧力を算出し、この推奨加圧力を記憶すると共に抵抗情報として実測定値を画面上に表示し、前記推奨加圧力に基づく実測定値をもとに溶接電流、溶接時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、通電時間と溶接電流の関係を示すウエルドローブを作成して画面に表示し、前記必要とするナゲット径のウエルドローブから品質的に最も安定する溶接電流値と通電時間を自動的に選定して、最も良い１サイクル溶接モードの溶接電流値と通電時間を画面上に表示し、溶接タイマーに前記最も良い溶接電流と通電時間データを記憶させることを特徴とするスポット溶接装置における溶接条件の設定方法。
2. 前記最も安定する溶接電流値と通電時間の自動選定にあたっては、該当する工程のサイクルタイムに内に収まることが条件とされることを特徴とする請求項１記載のスポット溶接装置における溶接条件の設定方法。
3. 前記溶接条件の設定にあたっては、各工程のサイクルタイムに基づく通電時間を第１優先として溶接電流値を設定し、必要とするナゲット径では各工程毎のサイクルタイム内に収まらない場合には、推奨加圧力を変化させ、その時の実測抵抗値をもとに溶接電流、通電時間を変化させ、その時の発熱量及び生成されるナゲット径を算出し、前記ウエルドローブを作成し、必要とするナゲット径のウエルドローブから品質的に最も安定する溶接電流値と通電時間を自動的に選択し、最も良い１サイクル溶接モードの溶接電流値と通電時間を画面上に表示し、溶接タイマーに前記最も良い溶接電流と通電時間データを記憶させることを特徴とする請求項１記載のスポット溶接装置における溶接条件の設定方法。

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